CN114003993B - 用于隧道裂损衬砌修复效果评价及修复方案选取的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于裂损衬砌修复效果评价，包括如下：步骤S1、计算修复后的裂损衬砌和修复材料上的弯矩：裂损衬砌修复后，将修复材料和裂损衬砌作为一个整体，为两层叠合梁，所述叠合梁的弯矩为M：M1+M2＝M；其中，M1为修复材料上的弯矩，M2为裂损衬砌上的弯矩；步骤S2、评价裂损衬砌修复效果：修复后的衬砌的安全系数Khy满足如下：
Figure DDA0003328831250000011
其中，Mu′为衬砌的破坏弯矩；As为截面上钢筋的总面积；h0为截面有效高度；ρ为配筋率；fc为混凝土的弯曲抗压强度。该评价方法可用于计算裂损衬砌和修复材料共同受力时的受力特征，并在此基础上根据衬砌及修复材料的受力特征。

Description

用于隧道裂损衬砌修复效果评价及修复方案选取的方法
技术领域
本发明属于地下工程技术领域，具体涉及用于隧道裂损衬砌修复效果评价及修复方案选取的方法。
背景技术
衬砌开裂是隧道工程中常见的病害，各种衬砌修复技术应用的条件不尽相同，方案选择时需综合考虑衬砌结构裂损程度、技术方案工艺复杂性、造价、施工周期、营运压力、是否必须中断交通、修复方案是否可有效增强结构承载力等。目前，当衬砌裂隙较严重，对裂缝进行修补和填充已无法满足要求必须采取加固措施时，钢板(或钢带)加固和套拱加固是最常用的方法。在实际加固时，修复材料的厚度以及性能参数的选择是一个关键问题。如果厚度和性能参数选择太小，则达不到修复要求；如果选择太大又会造成浪费，增大施工成本。目前并没有很好的方法对衬砌的修复效果进行计算以得到修复材料厚度和性能参数的下限。
发明内容
本发明的目的是提供用于裂损衬砌修复效果评价及修复方案选取的方法，可用于计算裂损衬砌和修复材料共同受力时的受力特征，并在此基础上根据衬砌及修复材料的受力特征，对衬砌及修复材料的强度进行验算，以得到修复材料力学性能以及修复层厚度的下限。
本发明采用以下技术方案：用于隧道裂损衬砌修复效果评价的方法该方法包括如下：
步骤S1、计算修复后的裂损衬砌和修复材料上的弯矩：
裂损衬砌修复后，将修复材料和裂损衬砌作为一个整体，为两层叠合梁，所述叠合梁的弯矩为M：M1+M2＝M；其中，M1为修复材料上的弯矩，M2为裂损衬砌上的弯矩；
假定叠合梁中各层梁在交界处为密实叠合，在弯曲时，两梁界面产生了相同的曲率；两层间交界层的曲率半径为ρ0，修复材料中性层的曲率半径为ρ1，裂损衬砌中性层的曲率半径为ρ2，则：
Figure GDA0004131049000000021
Figure GDA0004131049000000022
Figure GDA0004131049000000023
Figure GDA0004131049000000024
Figure GDA0004131049000000025
其中：E为叠合梁的等效弹性模量，E1和E2分别为修复材料和裂损衬砌的弹性模量；h1和h2分别为修复材料和裂损衬砌的惯性矩；I1和I2分别为修复材料和裂损衬砌的截面高度；
其中：
Figure GDA0004131049000000026
Figure GDA0004131049000000031
b为裂损衬砌截面的宽度；
修复材料和裂损衬砌上的弯矩分别为：
Figure GDA0004131049000000032
Figure GDA0004131049000000033
步骤S2、评价裂损衬砌修复效果：
修复后的衬砌的安全系数Khy满足如下：
Figure GDA0004131049000000034
其中，Mu′为衬砌的破坏弯矩；
As为截面上钢筋的总面积；h0为截面有效高度；ρ为配筋率；fc为混凝土的弯曲抗压强度。
进一步地，衬砌的破坏弯矩Mu′：
Figure GDA0004131049000000035
a为裂损衬砌的强度折减系数，取值为0.5-1；fy为钢筋的屈服强度。
进一步地，是以隧道轴线方向为法方向，将隧道等效为一个二维平面，令平面沿法方向拉伸b，则衬砌沿法方向的宽度为b；将隧道衬砌的拱部等效为一根水平梁，梁的截面为矩形。此时梁的宽度为衬砌沿法方向的宽度，梁的高度为衬砌的厚度。在施做修复材料加固层之后，修复材料同样视为水平梁，截面为矩形，其宽度和衬砌梁截面的宽度相等，高度为加修复材料的厚度；
本发明还公开了一种用于隧道裂损衬砌修复方案选取的方法，采用上述的一种用于隧道裂损衬砌修复效果评价的方法，在步骤S2后还包括如下：
在设定修复层厚度的前提下，满足如下条件；
修复材料的弹性模量E1：
Figure GDA0004131049000000041
修复材料的抗折强度Rf1：
Figure GDA0004131049000000042
修复材料的抗拉强度Rhi1：
Figure GDA0004131049000000043
进一步地，该修复层厚度≤30cm。
本发明的有益效果是：提出了裂损衬砌和修复材料共同受力时的受力特征的计算方法，并在此基础上根据衬砌及修复材料的受力特征，对衬砌及修复材料的强度进行验算，以得到修复材料力学性能以及修复层厚度的下限，从而最大限度地发挥材料的性能，降低材料的浪费，并降低修复的成本。
附图说明
图1是隧道衬砌横断面图；
图2是衬砌截面图；
图3是叠合梁受弯力学机制示意图；
图4是叠合梁弯曲时曲率图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明公开了一种用于隧道裂损衬砌修复效果评价的方法，该方法包括如下：
本发明中，是以隧道轴线方向为法方向，将拱形隧道等效为一个二维平面，如图1所示，令平面沿法方向拉伸b，则衬砌沿法方向的宽度为b，则衬砌截面可简化为图2所示的矩形截面，截面宽度b一般取1米。并且，将隧道衬砌的拱部等效为一根水平梁，梁的截面为矩形。此时梁的宽度为衬砌沿法方向的宽度，梁的高度为衬砌的厚度；在施做修复材料加固层之后，修复材料同样视为水平梁，截面为矩形，其宽度和衬砌梁截面的宽度相等，高度为加修复材料的厚度。
步骤S1、计算修复后的裂损衬砌和修复材料上的弯矩：
裂损衬砌修复后，将修复材料和裂损衬砌作为一个整体，为两层叠合梁，如图3所示，令叠合结构作为一个整体，其承受的力在叠合梁上产生的弯矩为M：M1+M2＝M；其中，M1为修复材料上的弯矩，M2为裂损衬砌上的弯矩；
假定叠合梁中各层梁在交界处为密实叠合，在弯曲时，两梁界面产生了相同的曲率，如图4所示，两层间交界层的曲率半径为ρ0，修复材料中性层的曲率半径为ρ1，裂损衬砌中性层的曲率半径为ρ2，则：
Figure GDA0004131049000000051
Figure GDA0004131049000000061
Figure GDA0004131049000000062
Figure GDA0004131049000000063
Figure GDA0004131049000000064
其中：E为叠合梁的等效弹性模量，E1和E2分别为修复材料和裂损衬砌的弹性模量；h1和h2分别为修复材料和裂损衬砌的惯性矩；I1和I2分别为修复材料和裂损衬砌的截面高度；
其中：
Figure GDA0004131049000000065
Figure GDA0004131049000000066
b为裂损衬砌截面的宽度；
修复材料和裂损衬砌上的弯矩分别为：
Figure GDA0004131049000000067
Figure GDA0004131049000000068
步骤S2、评价裂损衬砌修复效果：
以衬砌的安全系数Khy来裂损衬砌修复效果，衬砌的安全系数Khy为衬砌的破坏弯矩与裂损衬砌上的弯矩的比值。根据《公路隧道设计细则》，修复后的衬砌的安全系数Khy满足如下：
Figure GDA0004131049000000071
其中，Mu′为衬砌的破坏弯矩；
As为截面上钢筋的总面积；h3为截面有效高度；ρ为配筋率；fc为混凝土的弯曲抗压强度。
衬砌的破坏弯矩Mu′：
Figure GDA0004131049000000072
a为裂损衬砌的强度折减系数；fy为钢筋的屈服强度。
为了更好地解释说明，给出具体的实施例，假设修复时仅对衬砌进行凿毛处理，不额外凿除原衬砌，二次衬砌的厚度h1为50cm，修复材料厚度为10cm。截面宽度b取1m。令钢筋保护层厚度为5cm，则截面有效高度h10为45cm。
当隧道衬砌安全系数为2时，衬砌上的弯矩M＝0.5Mu＝623.66kN·m。在本例中，将此弯矩值作为衬砌实际承受的弯矩。
如果其承载力降低到原来的90％，则a＝0.9，此时衬砌的破坏弯矩为：
Figure GDA0004131049000000073
此时衬砌的安全系数为
Figure GDA0004131049000000074
需要进行修复使其恢复承载力。令修复后，K＝2，则衬砌上的弯矩为M2＝0.5M′u＝617.95kN·m，则修复材料上的弯矩：
M1＝M-M2＝5.7kN·m  (17)；
此时，衬砌的曲率半径分别为：
Figure GDA0004131049000000081
则两种材料交界层的曲率半径为
Figure GDA0004131049000000082
修复材料的弹性模量需要达到：
Figure GDA0004131049000000083
而此时，修复材料的抗折强度需要达到：
Figure GDA0004131049000000084
Figure GDA0004131049000000085
上述方法给出的为在修复方法确定时，要保证裂损衬砌恢复承载力，修复材料所需的力学参数的下限。在实际工程中，修复方法受制于隧道建筑限界、天窗期时长、材料成本等多方面的因素。应结合实际情况，做出最高效最经济的选择。施工的成本和工时在很大程度上取决于加固层的厚度，因为修复材料加固层越厚，钢筋(钢拱架)和混凝土的用量就越大，施工时间也越长。此外，修复材料加固层厚度越小，受建筑限界的影响也越小。材料力学性能越高，材料的成本也就越高，但是施工时长并不会增加太多。也就是说，在进行加固设计时，应优先考虑降低修复材料加固层厚度，然后再考虑降低材料强度。但是，修复材料加固层的厚度越薄，对修复材料力学性能的要求也就越高。修复层厚度一般≤30cm。本发明还公开了一种用于裂损衬砌修复方案选取的方法，采用上述的一种用于裂损衬砌修复效果评价的方法，在步骤S2后还包括如下：
在设定修复层厚度的前提下，满足如下条件；
修复材料的弹性模量E1：
Figure GDA0004131049000000091
修复材料的抗折强度Rf1：
Figure GDA0004131049000000092
修复材料的抗拉强度Rhi1：
Figure GDA0004131049000000093
修复方式与对材料性能的要求，具体举例，如表1～3所示：
表1修复层厚度为10cm时对修复材料性能的要求
Figure GDA0004131049000000094
表2修复层厚度为15cm时对修复材料性能的要求
Figure GDA0004131049000000095
Figure GDA0004131049000000101
表3修复层厚度为20cm时对修复材料性能的要求
Figure GDA0004131049000000102
对于受建筑限界影响较小的隧道，加固层厚度可以达到20cm甚至以上，这也是套拱加固常见的加固厚度。在这种情况下，对混凝土材料的强度要求较低。
对于建筑限界要求较高的隧道，允许的加固层厚度有时可能小于10cm，这种情况就需要采用高强度混凝土，甚至是采用钢板进行加固。

Claims (4)

1.一种用于隧道裂损衬砌修复效果评价的方法，其特征在于，该方法包括如下：
步骤S1、计算修复后的裂损衬砌和修复材料上的弯矩：
裂损衬砌修复后，将修复材料和裂损衬砌作为一个整体，为两层叠合梁，所述叠合梁的弯矩为M：M1+M2＝M；其中，M1为修复材料上的弯矩，M2为裂损衬砌上的弯矩；
设定叠合梁中各层梁在交界处为密实叠合，在弯曲时，两梁界面产生了相同的曲率；两层间交界层的曲率半径为ρ0，修复材料中性层的曲率半径为ρ1，裂损衬砌中性层的曲率半径为ρ2，则：
Figure FDA0004117546020000011
Figure FDA0004117546020000012
Figure FDA0004117546020000013
Figure FDA0004117546020000014
其中：E为叠合梁的等效弹性模量，E1和E2分别为修复材料和裂损衬砌的弹性模量；I1和I2分别为修复材料和裂损衬砌的惯性矩；h1和h2分别为修复材料和裂损衬砌的截面高度；
其中：
Figure FDA0004117546020000015
Figure FDA0004117546020000016
b为裂损衬砌截面的宽度；
修复材料和裂损衬砌上的弯矩分别为：
Figure FDA0004117546020000017
Figure FDA0004117546020000021
步骤S2、评价裂损衬砌修复效果：
修复后的衬砌的安全系数Khy满足如下：
Figure FDA0004117546020000022
衬砌的破坏弯矩Mu′：
Figure FDA0004117546020000023
As为截面上钢筋的总面积；h0为截面有效高度；ρ为配筋率；fc为混凝土的弯曲抗压强度；
a为裂损衬砌的强度折减系数，取值为0.5-1；fy为钢筋的屈服强度。
2.如权利要求1所述的一种用于隧道裂损衬砌修复效果评价的方法，其特征在于，是以隧道轴线方向为法方向，将隧道等效为一个二维平面，令平面沿法方向拉伸b，则衬砌沿法方向的宽度为b；将隧道衬砌的拱部等效为一根水平梁，梁的截面为矩形；此时梁的宽度为衬砌沿法方向的宽度，梁的高度为衬砌的厚度。在施做修复材料加固层之后，修复材料同样视为水平梁，截面为矩形，其宽度和衬砌梁截面的宽度相等，高度为加修复材料的厚度。
3.一种用于隧道裂损衬砌修复方案选取的方法，其特征在于，采用权利要求1-2中任一项所述的一种用于隧道裂损衬砌修复效果评价的方法，在步骤S2后还包括如下：
在设定修复层厚度的前提下，满足如下条件；
修复材料的弹性模量E1：
Figure FDA0004117546020000024
修复材料的抗折强度Rf1：
Figure FDA0004117546020000031
修复材料的抗拉强度Rhl1：
Figure FDA0004117546020000032
4.如权利要求3所述的一种用于裂损衬砌修复方案选取的方法，其特征在于，所述修复层厚度≤30cm。
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